暗黒物質がついに見えた!?~天の川銀河のハローから高エネルギーガンマ線放射を発見~

2025-11-26 東京大学

東京大学の研究チームは、フェルミガンマ線観測衛星 の15年分の観測データを再解析し、天の川銀河 のハロー領域から、約 20 GeV の高エネルギーガンマ線が、銀経/銀緯で広く、球対称に放射されていることを発見した。放射の空間分布とエネルギースペクトルは、これまで仮説の対象となっていた暗黒物質粒子(例えば WIMP)の対消滅から生成されるガンマ線に一致する特徴を示す。つまり、今回の観測結果は、長年「見えない物質」とされてきた 暗黒物質 からの信号を捉えた可能性を示す非常に有力な証拠となる。もし真と確認されれば、物理・天文学における最大級の難問の一つがついに解明されるかもしれない。

暗黒物質がついに見えた!?~天の川銀河のハローから高エネルギーガンマ線放射を発見~図1:ハロー状に光るガンマ線放射の強度マップ
天の川銀河を中心とする銀河座標で表示。銀経は銀河面方向に測った経度、銀緯は銀河面から測った緯度。観測されたガンマ線強度マップから、ハロー以外の成分を除去したもの。銀緯±10度の銀河面領域は、天体起源の放射を避けるために解析から除かれた(中央灰色のバー)。

<関連情報>

銀河拡散放射の20 GeVハロー状超過と暗黒物質消滅への影響 20 GeV halo-like excess of the Galactic diffuse emission and implications for dark matter annihilation

Tomonori Totani
Journal of Cosmology and Astroparticle Physics  Published: 25 November 2025
DOI:10.1088/1475-7516/2025/11/080

Abstract

Fifteen years of the Fermi Large Area Telescope (LAT) data in the halo region of the Milky Way (MW) are analyzed to search for gamma rays from dark matter annihilation. Gamma-ray maps within the region of interest (|l| ≤ 60°, 10° ≤ |b| ≤ 60°) are modeled using point sources, the GALPROP models of cosmic-ray interactions, isotropic background, and templates of Loop I and the Fermi bubbles, and then the presence of a halo-like component is further examined. A statistically significant halo-like excess is found with a spectral peak around 20 GeV, while its flux is consistent with zero below 2 GeV and above 200 GeV. Examination of the fit residual maps indicates that a spherically symmetric halo component fits the map data well. The radial profile agrees with annihilation by the smooth NFW density profile, and may be slightly shallower than this, especially in the central region. Various systematic uncertainties are investigated, but the 20 GeV peak remains significant. In particular, the halo excess with a similar spectrum is detected even relative to the LAT standard background model, which contains non-template patches adjusted to match the observed map. The halo excess spectrum can be fitted by annihilation with a particle mass mχ ∼ 0.5–0.8 TeV and cross section 〈συ〉 ∼ (5–8) × 10-25 cm3 s-1 for the bb̅ channel. This cross section is larger than the upper limits from dwarf galaxies and the canonical thermal relic value, but considering various uncertainties, especially the density profile of the MW halo, the dark matter interpretation of the 20 GeV “Fermi halo” remains feasible. The prospects for verification through future observations are briefly discussed.

1701物理及び化学
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